JP6607641B2 - 表面被覆工具 - Google Patents

Description

本発明は表面被覆工具に係り、特に表面被覆を、六方晶の結晶性を有する耐摩耗性硬質被膜によって形成した表面被覆工具に関する。

従来より、工具、金型、機械部品等の耐摩耗性を向上させるため、イオンプレーティング法等により、その金属材料表面に、Ｔｉ系の被覆を形成する処理が知られている。
Ｔｉ系被覆としては、ＴｉＮ系、ＴｉＣＮ系、ＴｉＡｌＮ系などが存在するが、ＴｉＡｌＮ系の耐摩耗硬質被膜は、ＴｉＮ系、ＴｉＣＮ系の被膜に比較して高温特性が優れているため、特に、表面被覆切削工具のために開発され、従来困難であった調質鋼の切削などの、過酷な条件下での使用を可能とした。これによって、切削工具に関して、ＴｉＡｌＮ系表面被覆が定着し、未だ一定の評価を得ている。
ここに、ＴｉＡｌＮ系表面被覆の背景技術として、例えば、特許文献１、２が存在する。

特許文献１の耐摩耗性被膜被覆部材（以下、第１従来例という。）は、基材表面に形成する被膜の金属成分について、Ａｌ量を６０〜７０[ａｔ％]としている（段落「００１２」）。ＴｉＡｌＮ系被膜は、その結晶構造にＮａＣｌ型領域とＺｎＳ型領域を含んでおり、領域の比率がＡｌ量によって変化するが、ＮａＣｌ型領域が耐摩耗性に有利であるため、全体をＮａＣｌ型領域とするＡｌ量を特定したものである。
第１従来例では、例えば、被膜厚４．５μｍ、直径６ｍｍφの超硬ドリル（実施例４）において、穴明個数７１００個、被膜厚４μｍ、直径６ｍｍφのハイスドリル（実施例５）において、穴明個数２５００個の寿命を達成している。

特許文献２の硬質皮膜被覆工具（以下、第２従来例という。）は、著しく耐摩耗性に優れ、耐酸化性のＴｉＡｌＮ系被膜（ａ層）と、耐摩耗性、耐酸化性を有するとともに密着性に優れたＴｉＳｉＮ系被膜（ｂ層）とを採用し、母材直上にｂ層を配置するとともに、ａ層、ｂ層を交互に積層して、耐摩耗性、耐酸化性、密着性を確保している。そして、ａ層は金属成分のみでＳｉが１０[ａｔ％]以上６０[ａｔ％]以下、ｂ層は金属成分のみでＡｌが４０[ａｔ％]超え７５[ａｔ％]以下、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ，Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０[ａｔ％]未満、残り、Ｔｉとしている。
第２従来例では、例えば、外径８ｍｍφの超硬合金６枚刃エンドミルおよび超硬合金インサートに被膜厚４μｍの被膜を成膜した場合、３４．７５〜３６．５０[ｍ]の工具寿命を達成している。

特許第２６４４７１０号公報 特許第３２４８８９７号公報

本発明は、窒化物、炭窒化物の硬質被膜を含む表面被覆工具の寿命を改善することを目的とする。

前記目的を達成するために、
請求項１の表面被覆工具は、工具材料よりなる母材と、前記母材の表面に形成された表面皮膜被覆とを備え、前記表面被膜被覆は、その最外層に、金属成分のみの[ａｔ％]でＡｌが５５[ａｔ％]以上８０[ａｔ％]以下およびＳｉが５[ａｔ％]以上１０[ａｔ％]以下で残りＴｉよりなる窒化物、炭窒化物で構成された硬質被膜（以下、ａ層という。）が成膜される。

請求項２の表面被覆工具は、表面皮膜被覆における前記ａ層内側に、金属成分のみの原子％でＡｌが５５[ａｔ％]以上７０[ａｔ％]以下で残りＴｉよりなる窒化物、炭窒化物の硬質被膜（以下、ｂ層という。）が成膜された、2層構造とされる。

本発明によれば、窒化物、炭窒化物の硬質被膜を含む表面被覆工具の寿命を改善し得る。

図１は、本発明に係る表面被覆工具の実施例における、被膜の組成、結晶性、硬度を示す表１である。 図２は、本発明に係る表面被覆工具の実施例における、工具寿命を示す表２である。 図３は、本発明に係る表面被覆工具の実施例における、耐摩耗性表面被覆被膜ａ層と、比較例のａ層のＸ線回折測定結果を示すグラフである。

次に、本発明に係る表面被覆工具の好適な実施例１を、図面を参照しつつ説明する。

本発明者は、耐摩耗性に特化した立方晶（NaCl型）組織が工具寿命に関して有利であるという従来の常識（第１従来例）に対して、むしろ六方晶組織を含むＴｉＡｌＮ系耐摩耗性表面被覆被膜に注目し、種々の添加成分の効果を研究した。その結果、Ｓｉの添加と被覆条件の最適化により、切削工具の寿命を著しく改善できる知見を得るに至った。被膜に六方晶組織を形成することによって、硬度の過度の上昇を抑制しつつ耐摩耗性を高め得ることが判明した。硬度は極端に高まると、負荷に起因した応力が増大して靭性が低下することがあるが、このような靭性低下が防止される。
例えば、近年主流となっているＴｉＳｉ系やＣｒＡｌ系の硬質被膜は、ナノインデンターによるビッカース換算値で３０００〜３５００程度の硬度を有するが、本発明による硬質被膜は２６００程度の硬度である。
このような硬質皮膜（以下、ａ層という。）を最外層に設けた耐摩耗性表面被覆被膜は工具寿命を著しく改善し得る。

実施例の表面被覆工具は、 高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラミックス等の工具材料よりなる母材の表面に表面皮膜被覆を設けたもので、表面被膜被覆は、図１のａ層、ｂ層の硬質皮膜によりなる2層構造である。ｂ層は母材表面に成膜され、ａ層は、ｂ層表面、すなわち最外層に成膜される。これによって、ｂ層の耐摩耗性・応力緩和効果と、ａ層による耐酸化性による母材保護効果の相乗効果として、極めて高い耐久性が得られる。

ａ層の形成に際しては、ＴｉＡｌＳｉ合金ターゲットを、カソードアーク放電方式イオンプレーティング装置にセットし、適正なバイアイス電圧、窒素ガス圧、成膜温度の条件の下でｂ層表面に成膜する。

ｂ層の形成に際しては、ＴｉＡｌ合金ターゲットを、カソードアーク放電方式イオンプレーティング装置にセットし、適正なバイアイス電圧、窒素ガス圧、成膜温度の条件の下で母材表面に成膜する。

図１の表1に示すように、試料番号１〜５、６〜１０、１１〜１５、１６〜２０、２１〜２５、それぞれ5種の窒化系試料成膜に際して、ａ層成膜のためのターゲットは、Ｔｉを１５[ａｔ％]、２５[ａｔ％]、３５[ａｔ％]、３０[ａｔ％]、４０[ａｔ％]と変化させ、これにともなって、Ａｌを８０[ａｔ％]、Ａｌ：７０[ａｔ％]、Ａｌ：６０[ａｔ％]、Ａｌ：６０[ａｔ％]、５５[ａｔ％]と変化させる。この場合、残部はＳｉであるが、Ｓｉは５[ａｔ％]、５[ａｔ％]、１０[ａｔ％]、５[ａｔ％]、５[ａｔ％]とする。一方、ｂ層成膜のターゲットは、試料番号１〜５について、Ａｌ：７０[ａｔ％]、Ｔｉ：３０[ａｔ％]、試料番号６〜１０について、Ａｌ：６７[ａｔ％]、Ｔｉ：３３[ａｔ％]、試料番号１１〜１５について、Ａｌ：６０[ａｔ％]、Ｔｉ：４０[ａｔ％]、試料番号１６〜２０について、Ａｌ：５５[ａｔ％]、Ｔｉ：４５[ａｔ％]、試料番号２１〜２５について、Ａｌ：５０[ａｔ％]、Ｔｉ：５０[ａｔ％]とする。

前記ａ層の組成、性能を確認するために、母材表面に単独で成膜し、X線回折測定を行い、得られた回折スペクトルの分析の結果は、例えば、図３のとおりであり、試料番号１、２の実施例で六方晶の発現が確認された。これに対して、試料番号２６の比較例では六方晶は生じていない。
そして、六方晶、立方晶の配向比率、Ｈｖ換算硬度は、図１、表1のとおり、六方晶：１５．０[％]〜９９．９[％]、立方晶：０．１[％]〜８５．０[％]、Ｈｖ換算硬度 ２５１０〜２６５５であり、六方晶の配向比が高められ、かつ硬度が低い傾向にある。

従来、立方晶（ＮａＣｌ型）のＴｉＡｌＮ系耐摩耗性表面被覆被膜を成膜するためには、Ａｌを６５[ａｔ％]以下に抑えるべきとの定説があり、それ以上になるとAlNに起因する六方晶が析出し、立方晶と混相化するとされていた。この定説を検証するなかで、従来は六方晶が析出しないとされていた、Ａｌ：６０[ａｔ％]の条件で、Ｓｉの添加を行い、その添加量を０[ａｔ％]、５[ａｔ％]、１０[ａｔ％]と変化させた。その結果、図１に示すように、六方晶の生成が確認された。すなわち、六方晶発現には、Ａｌ濃度のみでなく、Ｓｉ添加量も寄与し、Ｓｉ添加量によって六方晶混相比が変化するという新たな知見が得られた。

一方。従来の立方晶主体の硬質皮膜（実施例の母材表面の被膜に対応して便宜的にｂ層という。）単層の比較例（図２、表2、試料番号２６〜３０）では、ｂ層成膜のターゲットを、試料番号１〜５、６〜１０、１１〜１５、１６〜２０、２０〜２５の組に対応して、Ｔｉを３０[ａｔ％]、３０[ａｔ％]、４０[ａｔ％]、４５[ａｔ％]、５０[ａｔ％]、Ａｌを７０[ａｔ％]、６７[ａｔ％]、６０[ａｔ％]、５５[ａｔ％]、５０[ａｔ％]と変化させる。

図２の表３に示すように、試料番号３２〜３６の炭窒化系試料成膜に際して、ａ層成膜のためのターゲットは、Ｔｉを１５[ａｔ％]、２５[ａｔ％]、３５[ａｔ％]、３０[ａｔ％]、４０[ａｔ％]と変化させ、これにともなって、Ａｌを８０[ａｔ％]、Ａｌ：７０[ａｔ％]、Ａｌ：６０[ａｔ％]、Ａｌ：６０[ａｔ％]、５５[ａｔ％]と変化させる。そして、残部はＳｉであるが、Ｓｉは５[ａｔ％]、５[ａｔ％]、１０[ａｔ％]、５[ａｔ％]、５[ａｔ％]とする。ｂ層成膜のターゲットは、Ａｌ：６０[ａｔ％]、Ｔｉ：４０[ａｔ％]で一定とする。
試料番号２６〜３０のａ層の六方晶、立方晶の配向比率、Ｈｖ換算硬度は、六方晶：２０．０〜９９．０[％]、立方晶：１．０〜８０．０[％] 、Ｈｖ換算硬度：２０１３〜２７５５であり、六方晶の配向比が高められ、かつ硬度が低い傾向にある。

実施例（試料番号１〜２５、３２〜３６）および比較例（試料番号２６〜３１）について、以下の工具寿命測定を行った。
すなわち、超硬合金の工具材料を母材とした、６枚刃の硬質被膜被覆エンドミル（ＷＣエンドミル）、硬質被膜被覆ドリル（ＷＣドリル）、高速度鋼の工具材料を母材とした硬質皮膜ドリル（ＨＳＳドリル）を用い切削試験を行った。工具寿命はエンドミルでは刃先の欠けないしは摩耗等により工具が切削不能となった時の切削長とし、ドリルでは切削不能となった加工穴数とした。

６枚刃超硬エンドミルの切削条件は、側面切削、ダウンカット、被削材ＳＫＤ１１（硬さＨＲＣ６０）、切り込みＡｄ７．５ｍｍ×Ｒｄ０．１５ｍｍ、切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、送り０．０５７ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、エアーブロー使用とした。そして、凝着が激しくなり切削不能になった時を寿命と判定した。
試料番号１〜２５の寿命は、図１、表１のとおりであり、１２９〜２２０[ｍ]、平均１７９[ｍ]であった。また、試料番号３２〜３６の寿命は、図２、表３のとおりであり、１３７〜２２０[ｍ]、平均１７３[ｍ]であった。
これに対して、比較例（試料番号２６〜３０）は、４７〜７２[ｍ]、平均６１[ｍ]、試料番号３１で５５[ｍ]あり、実施例は比較例よりも長寿命である。

超硬工具鋼ストレートシャンクドリルの切削条件は、被削材ＳＣＭ４４０（硬さＨＲＣ２８）、回転数７９５８ｍｉｎ−１、送り０．１９ｍｍ／ｒｅｖとし、高速度鋼ストレートシャンクドリルの切削条件は被削材ＳＣＭ４４０（硬さＨＲＣ２８）、回転数２１６０ｍｉｎ−１、送り０．０９ｍｍ／ｒｅｖとし、いずれの切削も水溶性切削液使用とした。そして、エンドミルの寿命と同様、凝着が激しくなり切削不能になった時を寿命と判定した。

超硬工具鋼ストレートシャンクドリルでの試料番号１〜２５の寿命は、２１１７〜３０３３[穴]、平均２５３２[ｍ]であった。また、試料番号３２〜３６の寿命は、１９９７〜２９９７[穴]、平均２４５５[ｍ]であった。
比較例（試料番号２６〜３０）は、９０５〜１００２[穴]、平均９５７[穴]、試料番号３１で９１４[穴]であり、実施例は比較例よりも長寿命である。

高速度鋼ストレートシャンクドリルでの試料番号１〜２５の寿命は、１６７９〜２２１５[穴]、平均２００３[ｍ]であった。また、試料番号３２〜３６の寿命は、１７００〜２１００[穴]、平均１９４７[穴]であった。
比較例（試料番号２６〜３０）は、６１７〜７４２[穴]、平均７１５[穴]、試料番号３１で７３６[穴]であり、実施例は比較例よりも長寿命である。

以上より、ａ層の組成は、金属成分のみの原子％でＡｌが５５[ａｔ％]以上８０[ａｔ％]以下およびＳｉが５[ａｔ％]以上１０[ａｔ％]以下で残りＴｉよりなる窒化物、炭窒化物で構成すべきである。
また、ｂ層の組成は、金属成分のみの原子％でＡｌが５５[ａｔ％]以上７０[ａｔ％]以下で残りＴｉよりなる窒化物、炭窒化物の硬質被膜（以下、ｂ層という。）で成膜すべきである。

なお、表面被覆被膜の被覆方法は、特に限定されるものではないが、被覆母材への熱影響、工具の疲労強度、被膜の密着性等を考慮した場合、比較的低温で被覆でき、被覆した被膜に圧縮応力が残留する被覆方法、すなわち、前記カソードアーク放電方式イオンプレーティング、もしくはスパッタリング等の被覆母材側にバイアス電圧を印加する物理蒸着法（ＰＶＤ）であることが望ましい。

以上のとおり、本発明の耐摩耗性硬質被膜被覆鋼材は、従来の表面被覆工具に比べ切削加工の高速化、無潤滑化、耐酸化性及び耐摩耗性に優れた公知のＴｉＡｌＮ系被膜と組み合わせたときに優れた切削性能を発揮し、更に上記の過酷な加工環境下においても、被膜剥離及び異常摩耗が生じることなく、耐摩耗性の著しい改善に極めて有効である。

以上の実施例では、母材表面にｂ層を成膜し、ｂ層表面にａ層を成膜する2層構造の実施例のみについて説明したが、ａ層とｂ層の間、またはｂ層と母材の間に、さらに硬質皮膜を成膜することも可能である。
さらに本発明の被膜は、従来のTiAlNの耐酸化性、耐熱性を向上させていることから、従来TiAlNで使用されている金型、機械部品の耐熱性、耐摩耗性被膜として適用することも可能である。

Claims (2)

1. 工具材料よりなる母材と、
   前記母材の表面に形成された表面皮膜被覆と、
   を備え、
   前記表面皮膜被覆は、その最外層が、金属成分のみの原子％でＡｌが７０[ａｔ％]以上８０[ａｔ％]以下およびＳｉが５[ａｔ％]以上１０[ａｔ％]以下で残りＴｉよりなり、六方晶および立方晶の窒化物または炭窒化物を含み、六方晶の窒化物または炭窒化物を結晶配向比で９９．０％以上含む硬質皮膜（以下、ａ層という。）が成膜されたことを特徴とする、
   表面被覆工具。
2. 前記表面皮膜被覆における前記ａ層内側に、金属成分のみの原子％でＡｌが５５[ａｔ％]以上７０[ａｔ％]以下で残りＴｉよりなる窒化物、炭窒化物の硬質被膜（以下、ｂ層という。）が成膜された、2層構造膜であることを特徴とする、請求項１記載の表面被覆工具。

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